Detection of frailty in Weibull lifetime data using Outlier tests

Heterogeneity in lifetime data may be modelled by multiplying an individual's hazard by an unobserved frailty. We test for the presence of frailty of this kind in univariate and bivariate data with Weibull distributed lifetimes, using statistics based on the ordered Cox-Snell residuals from the null model of no frailty. The form of the statistics is suggested by outlier testing in the gamma distribution. We find through simulation that the sum of the k largest or k smallest order statistics, for suitably chosen k , provides a powerful test when the frailty distribution is assumed to be gamma or positive stable, respectively. We provide recommended values of k for sample sizes up to 100 and simple formulae for estimated critical values for tests at the 5% level.

Sentinel node detection in cervical cancer with Tc-99m-phytate

Objectives. The aim of this study was to investigate the feasibility of sentinel lymph node (SLN) identification using radioisotopic lymphatic mapping with technetium-99 m-labeled phytate in patients undergoing radical hysterectomy with pelvic lymphadenectomy for treatment of early cervical cancer.Methods. Between July 2001 and February 2003, 56 patients with cervical cancer 1160 stage I (it 53) or stage 11 (it 3) underwent sentinel lymph node detection with preoperative lymphoscintigraphy (Te-99m-labeled phytate injected into the uterine cervix, at 3, 6, 9, and 12 o'clock, at a dose of 55-74 MBq in a volume of 0.8 ml) and intratoperative lymphatic mapping with a handheld gamma probe, Radical hysterectomy was aborted in three cases because parametrial invasion was found intraoperatively and we performed only sentinel node resection. The remaining 53 patients underwent radical hysterectomy with complete pelvic lymphadenectomy, Sentinel nodes were detected using a handheld gamma-probe and removed for pathological assessment during the abdominal radical hysterectomy and pelvic lymphadenectomy.Results. One or more sentinel nodes were detected in 52 out of 56 eligible patients (92.8%). A total of 120 SLNs were detected by lymphoscintigraphy (mean 2.27 nodes per patient) and intraoperatively by gamma probe, Forty-four percent of SLNs were found in the external iliac area, 39% in the obturator region, 8.3% in interiliae region, and 6.7),) in the common iliac area. Unilateral sentinel nodes were found in thirty-one patients (59%). The remaining 21 patients (4100 had bilateral sentinel nodes, Microscopic nodal metastases were confirmed in 17 (32%) cases. In 10 of these patients, only SLNs had metastases. The 98 sentinel node.,, that were negative on hematoxylin and eosin were submitted to cytokeratin immunohistochemical analysis. Five (5.1%) micrometastases were identified with this technique. The sensitivity of the sentinel node was 82.3% (CI 95% - 56.6-96.2) and the negative predictive value was 92.1% (CI 95% 78.6 98.3) the accuracy of sentinel node in predicting the lymph node status was 94.2%,Conclusion. Preoperative lymphoscintigraphy and intraoperative lymphatic mapping with Tc-99-labeled phytate are effective in identifying sentinel nodes in patients undergoing radical hysterectomy and to select women in whom lymph node dissection call be avoided. (c) 2005 Elsevier B.V. All rights reserved.

Studio sulla perfusione di fegato e milza in animali non convenzionali mediante ecografia e tomografia computerizzata (TC) con mezzo di contrasto

Il presente studio rappresenta la prima applicazione della tecnica CEUS in alcune delle più diffuse specie non convenzionali, nonché la prima nei rettili. In particolare è stata investigata la perfusione di fegato e milza in 10 conigli, 10 furetti e il fegato in 8 iguane. Per quanto riguarda i mammiferi, la tecnica è risultata di facile attuazione e i risultati ottenuti erano equiparabili a quelli documentati per i piccoli animali. Maggiore variabilità si è messa in evidenza a livello splenico in entrambe le specie e nel coniglio rispetto al furetto. Nelle iguane è stata necessaria una modifica del protocollo a seguito dei tempi più lunghi delle fasi di wash in e di wash out. Le curve ottenute erano caratterizzate da picchi più bassi e TTP più lunghi, con wash out incompleto anche dopo 10 minuti di indagine. Nelle iguane l’indagine del fegato è stata approfondita grazie all’esecuzione di TC dinamiche con MDC, studio pioneristico per quanto riguarda la medicina dei rettili. L’esecuzione è avvenuta senza problemi in anestesia generale. Diffusione del MDC e conseguenti variazione di HU a livello aortico e epatico sono state considerate contemporaneamente, con costruzione di curve HU-tempo piuttosto ripetibili, entrambe caratterizzate da un wash in rapido, un picco, particolarmente alto a livello aortico, e da una fase di wash out più lento, anche qui incompleto dopo i 600 secondi di indagine. Una certa variabilità è stata notata in tre individui, risultato attendibile conseguentemente alla forte dipendenza da fattori intriseci ed estrinseci del metabolismo e della funzionalità epatica dei rettili. L’intero protocollo è stato applicato in un furetto e due iguane patologiche, al fine di evidenziare le potenzialità cliniche delle tecniche. Sebbene il numero esiguo di casi non permetta di trarre conclusioni a questo riguardo, l’ultimo capitolo della tesi vuole essere uno spunto per studi futuri.

[(99m)Tc]Demotate 2 in the detection of sst(2)-positive tumours: a preclinical comparison with [(111)In]DOTA-tate

PURPOSE: The aim of this study was to evaluate [(99m)Tc]Demotate 2 ([(99m)Tc-N(4) (0-1),Asp(0),Tyr(3)]octreotate) as a candidate for in vivo imaging of sst(2)-positive tumours and to compare it with [(111)In]DOTA-tate ([(111)In-DOTA(0),Tyr(3)]octreotate). METHODS: Labelling of Demotate 2 with (99m)Tc was performed at room temperature using SnCl(2) as reductant in the presence of citrate at alkaline pH. Radiochemical analysis involved ITLC and HPLC methods. Peptide conjugate affinities for sst(2) were determined by receptor autoradiography on rat brain cortex sections using [DOTA(0),(125)I-Tyr(3)]octreotate as the radioligand. The affinity profile of Demotate 2 for human sst(1)-sst(5) was studied by receptor autoradiography in cell preparations using the universal somatostatin radioligand [(125)I][Leu(8),(D: )Trp(22),Tyr(25)]somatostatin-28. The internalisation rates of [(99m)Tc]Demotate 2 and [(111)In]DOTA-tate were compared in sst(2)-positive and -negative control cell lines. Biodistribution of radiopeptides was studied in male Lewis rats bearing CA20948 tumours. RESULTS: Peptide conjugates showed selectivity and a high affinity binding for sst(2) (Demotate 2 IC(50)=3.2 nM and DOTA-tate IC(50)=5.4 nM). [(99m)Tc]Demotate 2, like [(111)In]DOTA-tate, internalised rapidly in all sst(2)-positive cells tested, but not in sst(2)-negative control cells. After injection in CA20948 tumour-bearing rats both radiopeptides showed high and specific uptake in the sst(2)-positive organs and in the implanted tumour and rapid excretion from non-target tissues via the kidneys. CONCLUSION: [(99m)Tc]Demotate 2, similarly to the known sst(2)-targeting agent [(111)In]DOTA-tate, showed promising biological qualities for application in the scintigraphy of sst(2)-positive tumours.

Tc-99m-labeled dextran for mammary lymphoscintigraphy in dogs

Lymphoscintigraphy is the technique of choice for sentinel lymph node detection in women with early breast cancer, but there is limited information evaluating the value of this technique in animals. We investigated mammary lymphatic drainage in 25 young female mongrel dogs by intramammary injection of 18.5 MBq of Tc-99m-dextran (70,000 Da). Lymph node anatomical referencing was obtained using an external marker, bone scintigraphy, or scintiscanning the body contour. Cranial and caudal thoracic mammary glands drained into the cranial sternal lymph node and axillary lymph center. The cranial thoracic mammary gland also drained into the superficial cervical lymph node in two of five animals. The cranial abdominal gland was drained by the axillary lymph center. The caudal abdominal mammary gland was drained by the superficial inguinal lymph node in all animals and simultaneously by medial iliac lymph nodes in four of five animals. In one dog, this mammary gland was also drained by the mediastinal and the superficial cervical lymph nodes. The inguinal mammary gland was drained by superficial inguinal lymph nodes and simultaneously via the medial iliac lymph node in one animal. Lymphatic communications between lymph nodes were identified in 11 of 25 (44%) animals. Tc-99m-dextran mammary lymphoscintigraphy was easy and rapid to perform and may provide valuable information for further studies.

Combined bias and outlier identification in dynamic data reconciliation

Measured process data normally contain inaccuracies because the measurements are obtained using imperfect instruments. As well as random errors one can expect systematic bias caused by miscalibrated instruments or outliers caused by process peaks such as sudden power fluctuations. Data reconciliation is the adjustment of a set of process data based on a model of the process so that the derived estimates conform to natural laws. In this paper, techniques for the detection and identification of both systematic bias and outliers in dynamic process data are presented. A novel technique for the detection and identification of systematic bias is formulated and presented. The problem of detection, identification and elimination of outliers is also treated using a modified version of a previously available clustering technique. These techniques are also combined to provide a global dynamic data reconciliation (DDR) strategy. The algorithms presented are tested in isolation and in combination using dynamic simulations of two continuous stirred tank reactors (CSTR).

Detecção do lindonodo sentinela com 99m Tc-Fitato em pacientes com carcinoma invasor do colo uterino

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Morphological Homogeneity of Neurons: Searching for Outlier Neuronal Cells

We report a morphology-based approach for the automatic identification of outlier neurons, as well as its application to the NeuroMorpho.org database, with more than 5,000 neurons. Each neuron in a given analysis is represented by a feature vector composed of 20 measurements, which are then projected into a two-dimensional space by applying principal component analysis. Bivariate kernel density estimation is then used to obtain the probability distribution for the group of cells, so that the cells with highest probabilities are understood as archetypes while those with the smallest probabilities are classified as outliers. The potential of the methodology is illustrated in several cases involving uniform cell types as well as cell types for specific animal species. The results provide insights regarding the distribution of cells, yielding single and multi-variate clusters, and they suggest that outlier cells tend to be more planar and tortuous. The proposed methodology can be used in several situations involving one or more categories of cells, as well as for detection of new categories and possible artifacts.

Studio e sviluppo di algoritmi di elaborazione di immagini da TC per analisi perfusionali

La Tomografia Computerizzata (TC) perfusionale rappresenta attualmente una importante tecnica di imaging radiologico in grado di fornire indicatori funzionali di natura emodinamica relativi alla vascolarizzazione dei tessuti investigati. Le moderne macchine TC consentono di effettuare analisi funzionali ad una elevata risoluzione spaziale e temporale, provvedendo ad una caratterizzazione più accurata di zone di interesse clinico attraverso l’analisi dinamica della concentrazione di un mezzo di contrasto, con dosi contenute per il paziente. Tale tecnica permette potenzialmente di effettuare una valutazione precoce dell’efficacia di trattamenti antitumorali, prima ancora che vengano osservate variazioni morfologiche delle masse tumorali, con evidenti benefici prognostici. I principali problemi aperti in questo campo riguardano la standardizzazione dei protocolli di acquisizione e di elaborazione delle sequenze perfusionali, al fine di una validazione accurata e consistente degli indicatori funzionali nella pratica clinica. Differenti modelli matematici sono proposti in letteratura al fine di determinare parametri di interesse funzionale a partire dall’analisi del profilo dinamico del mezzo di contrasto in differenti tessuti. Questa tesi si propone di studiare, attraverso l’analisi e l’elaborazione di sequenze di immagini derivanti da TC assiale perfusionale, due importanti modelli matematici di stima della perfusione. In particolare, vengono presentati ed analizzati il modello del massimo gradiente ed il modello deconvoluzionale, evidenziandone tramite opportune simulazioni le particolarità e le criticità con riferimento agli artefatti più importanti che influenzano il protocollo perfusionale. Inoltre, i risultati ottenuti dall’analisi di casi reali riguardanti esami perfusionali epatici e polmonari sono discussi al fine di valutare la consistenza delle misure quantitative ottenute tramite i due metodi con le considerazioni di natura clinica proposte dal radiologo.

Caratterizzazione quantitativa delle Curve Tempo-Concentrazione nella TC perfusionale polmonare

Negli ultimi anni la ricerca nella cura dei tumori si è interessata allo sviluppo di farmaci che contrastano la formazione di nuovi vasi sanguigni (angiogenesi) per l’apporto di ossigeno e nutrienti ai tessuti tumorali, necessari per l’accrescimento e la sopravvivenza del tumore. Per valutare l’efficacia di questi farmaci antiangiogenesi esistono tecniche invasive: viene prelevato tramite biopsia un campione di tessuto tumorale, e tramite analisi microscopica si quantifica la densità microvascolare (numero di vasi per mm^2) del campione. Stanno però prendendo piede tecniche di imaging in grado di valutare l’effetto di tali terapie in maniera meno invasiva. Grazie allo sviluppo tecnologico raggiunto negli ultimi anni, la tomografia computerizzata è tra le tecniche di imaging più utilizzate per questo scopo, essendo in grado di offrire un’alta risoluzione sia spaziale che temporale. Viene utilizzata la tomografia computerizzata per quantificare la perfusione di un mezzo di contrasto all’interno delle lesioni tumorali, acquisendo scansioni ripetute con breve intervallo di tempo sul volume della lesione, a seguito dell’iniezione del mezzo di contrasto. Dalle immagini ottenute vengono calcolati i parametri perfusionali tramite l’utilizzo di differenti modelli matematici proposti in letteratura, implementati in software commerciali o sviluppati da gruppi di ricerca. Al momento manca un standard per il protocollo di acquisizione e per l’elaborazione delle immagini. Ciò ha portato ad una scarsa riproducibilità dei risultati intra ed interpaziente. Manca inoltre in letteratura uno studio sull’affidabilità dei parametri perfusionali calcolati. Il Computer Vision Group dell’Università di Bologna ha sviluppato un’interfaccia grafica che, oltre al calcolo dei parametri perfusionali, permette anche di ottenere degli indici sulla qualità dei parametri stessi. Questa tesi, tramite l’analisi delle curve tempo concentrazione, si propone di studiare tali indici, di valutare come differenti valori di questi indicatori si riflettano in particolari pattern delle curve tempo concentrazione, in modo da identificare la presenza o meno di artefatti nelle immagini tomografiche che portano ad un’errata stima dei parametri perfusionali. Inoltre, tramite l’analisi delle mappe colorimetriche dei diversi indici di errore si vogliono identificare le regioni delle lesioni dove il calcolo della perfusione risulta più o meno accurato. Successivamente si passa all’analisi delle elaborazioni effettuate con tale interfaccia su diversi studi perfusionali, tra cui uno studio di follow-up, e al confronto con le informazioni che si ottengono dalla PET in modo da mettere in luce l’utilità che ha in ambito clinico l’analisi perfusionale. L’intero lavoro è stato svolto su esami di tomografia computerizzata perfusionale di tumori ai polmoni, eseguiti presso l’Unità Operativa di Diagnostica per Immagini dell’IRST (Istituto Scientifico Romagnolo per lo Studio e la Cura dei Tumori) di Meldola (FC). Grazie alla collaborazione in atto tra il Computer Vision Group e l’IRST, è stato possibile sottoporre i risultati ottenuti al primario dell’U. O. di Diagnostica per Immagini, in modo da poterli confrontare con le considerazioni di natura clinica.

Studio delle applicazioni metodologiche di analisi d'immagini in tc perfusionali

La Tomografia Computerizzata perfusionale (TCp) è una tecnica che permette di effettuare studi funzionali di natura emodinamica dei tessuti ispezionati, misurandone la perfusione attraverso l’analisi temporale della diffusione del mezzo di contrasto. Ricerche recenti indicano come alcuni parametri (ad esempio, il blood flow) della perfusione ematica dell’organo interessato rappresentino un valido strumento per la valutazione dell’efficacia delle terapie anti-angiogenetiche. Valutazione che, potendo avvenire già in fase precoce, senza attendere i più tardivi cambiamenti dimensionali, consente un eventuale adeguamento, altrettanto precoce, della terapia in caso di risultati parziali o di insuccesso. Tuttavia diversi problemi, tra cui la difficoltà ad ottenere misure riproducibili, dovuta alla estrema variabilità delle cause di errore, costituiscono un ostacolo alla standardizzazione e, conseguentemente, alla trasposizione in clinica della TCp. Il lavoro di tesi ha avuto come obiettivo quello di identificare le principali sorgenti di errore in tutto il processo di preparazione dell’esame, generazione e archiviazione dei dati TCp al fine di fornire a IRST-IRCCS un protocollo perfusionale che consente di tenere sotto controllo, innanzitutto, tutti i parametri relativi alla somministrazione del mezzo di contrasto e alla fase di acquisizione delle immagini. Successivamente, è stato creato un catalogo di esami perfusionali, facilmente consultabile sia dal personale medico sia da quello ingegneristico. Infine, è stato fornito il supporto, sia ai medici sia agli ingegneri, per la messa a punto di un metodo di validazione visiva dei risultati ottenuti. Contestualmente, uno dei principali risultati del lavoro di Tesi è stato quello di creare, all’interno di IRST-IRCCS, una figura che funga da “collettore” fra i radiologi e gli ingegneri dell’Università di Bologna. Proprio in questo modo è stato possibile standardizzare le procedure di esecuzione degli esami perfusionali e implementare, attraverso l’interfacciamento tra il personale medico ed i ricercatori dell’Università, i protocolli per la gestione ed il trattamento dei dati acquisiti.

Preparazione dei dati e generazione delle mappe di TC perfusionale nel cancro al polmone

L’introduzione della tomografia computerizzata nelle applicazioni oncologiche è stata rivoluzionaria per la diagnostica delle immagini di molti organi e apparati, superando i limiti della radiologia convenzionale. Questa tecnica rappresenta, infatti, un efficace strumento nella diagnosi e caratterizzazione di numerosi tumori, in quanto questo tipo di applicazione perfusionale amalgama informazioni di natura morfologica, tipiche della TC tradizionale, con studi funzionali sui tessuti in esame. Tuttavia, diversi problemi, tra cui la mancanza di un protocollo standard sia durante la fase di acquisizione dei dati, sia durante la fase di elaborazione dei dati, costituiscono un ostacolo per la trasposizione in clinica della TCp. In questo lavoro di Tesi si è trattato principalmente della modalità di analisi dei dati: ad oggi, infatti, non è ancora stato formulato un protocollo che stabilisca in modo univoco una tecnica di analisi delle mappe perfusionali risultanti dall’elaborazione delle immagini TCp. In particolare, si è tentato di affiancare ai classici metodi di analisi di immagini noti in letteratura un ulteriore tecnica che si basa sull’analisi voxel-by-voxel della regione d’interesse su più slice e non solo su quella di riferimento. Questo studio è stato fortemente motivato dall’elevato grado di eterogeneità che caratterizza molti tessuti neoplastici. A tal proposito, l’elaborato mira ad analizzare in modo qualitativo le mappe perfusionali di slice adiacenti a quella di riferimento e a verificare se queste possano restituire informazioni aggiuntive che risultino indispensabili ai fini della formulazione di una corretta diagnosi e scelta del piano terapeutico da applicare al paziente.

Detection of degenerative cartilage disease: comparison of high-resolution morphological MR and quantitative T2 mapping at 3.0 Tesla

The aim of the study was to investigate the association of T2 relaxation times of the knee with early degenerative cartilage changes. Furthermore the impact of unloading the knee on T2 values was evaluated.

Detection of convergent genome-wide signals of adaptation to tropical forests in humans

Tropical forests are believed to be very harsh environments for human life. It is unclear whether human beings would have ever subsisted in those environments without external resources. It is therefore possible that humans have developed recent biological adaptations in response to specific selective pressures to cope with this challenge. To understand such biological adaptations we analyzed genome-wide SNP data under a Bayesian statistics framework, looking for outlier markers with an overly large extent of differentiation between populations living in a tropical forest, as compared to genetically related populations living outside the forest in Africa and the Americas. The most significant positive selection signals were found in genes related to lipid metabolism, the immune system, body development, and RNA Polymerase III transcription initiation. The results are discussed in the light of putative tropical forest selective pressures, namely food scarcity, high prevalence of pathogens, difficulty to move, and inefficient thermoregulation. Agreement between our results and previous studies on the pygmy phenotype, a putative prototype of forest adaptation, were found, suggesting that a few genetic regions previously described as associated with short stature may be evolving under similar positive selection in Africa and the Americas. In general, convergent evolution was less pervasive than local adaptation in one single continent, suggesting that Africans and Amerindians may have followed different routes to adapt to similar environmental selective pressures.

Detection and Tracking of Dynamic Objects. A MultiRobot approach to Critical Infrastructures Surveillance.

Despite that Critical Infrastructures (CIs) security and surveillance are a growing concern for many countries and companies, Multi Robot Systems (MRSs) have not been yet broadly used in this type of facilities. This dissertation presents a novel study of the challenges arisen by the implementation of this type of systems and proposes solutions to specific problems. First, a comprehensive analysis of different types of CIs has been carried out, emphasizing the influence of the different characteristics of the facilities in the design of a security and surveillance MRS. One of the most important needs for the surveillance of a CI is the detection of intruders. From a technical point of view this problem can be abstracted as equivalent to the Detection and Tracking of Mobile Objects (DATMO). This dissertation proposes algorithms to solve this specific problem in a CI environment. Using 3D range images of the environment as input data, two detection algorithms for ground robots have been developed. These detection algorithms provide a list of moving objects in the robot detection area. Direct image differentiation and computer vision techniques are used when the robot is static. Alternatively, multi-layer ground reconstructions are compared to detect the dynamic objects when the robot is moving. Since CIs usually spread over large areas, it is very useful to incorporate aerial vehicles in the surveillance MRS. Therefore, a moving object detection algorithm for aerial vehicles has been also developed. This algorithm compares the real optical flow obtained from a down-face oriented camera with an artificial optical flow computed using a RANSAC based homography matrix. Two tracking algorithms have been developed to follow the moving objects trajectories. These algorithms can efficiently handle occlusions and crossings, as well as exchange information among robots. The multirobot tracking can be applied to any type of communication structure: centralized, decentralized or a combination of both. Even more, the developed tracking algorithms are independent of the detection algorithms and could be potentially used with other detection procedures or even with static sensors, such as cameras. In addition, using the 3D point clouds available to the robots, a relative localization algorithm has been developed to improve the position estimation of a given robot with observations from other robots. All the developed algorithms have been extensively tested in different simulated CIs using the Webots robotics simulator. Furthermore, the algorithms have also been validated with real robots operating in real scenarios. In conclusion, this dissertation presents a multirobot approach to Critical Infrastructure Surveillance, mainly focusing on Detecting and Tracking Dynamic Objects.